Automatisieren. Theorie und Praxis

Transkript

1 Günter Wellenreuther Dieter Zastrow Automatisieren mitsps Theorie und Praxis IEC ; STEP 7; Bibliotheksbausteine; AS-i-Bus; PROFIBUS; Ethernet-TCP/IP; OPC; Steuerungssicherheit Mit mehr als 800 Abbildungen und 105 Beispiele mit Lösungen vieweg

2 VII Inhaltsverzeichnis Einführung Automatisierung Grundfunktionen der Automatisierung Forderungen der DIN EN Projektierungssystem STEP STEP 7 - Programmierlehrgang Beschreibungsmittel für den systematischen Steuerungsentwurf SPS und PC als Automatisierungsgeräte Kommunikation Kommunikation in Automatisierungssystemen Bussysteme Durchgängiger Informationsfluss Sicherheit von Steuerungen Europäische Normung zur Steuerungssicherheit Programmierbare Sicherheitssteuerungen und sichere Bussysteme 7 2 Aufbau und Funktion der Automatisierungsgeräte Verfügbare Automatisierungssysteme Hardware-SPS PC-basierte Steuerungen Struktur und Funktionsweise einer SPS-CPU Zentraleinheit (CPU) Zyklische Programmbearbeitung Zentrale Prozessperipherie einer S7-SPS Signale: Welche Signalarten in einer SPS verarbeitet werden können Eingabe-/Ausgabebaugruppen: Was angeschlossen werden darf Absolute Adressen von Eingängen und Ausgängen Programmiersprachen und Programmorganisationseinheiten nach DIN EN Übersicht Programmiersprachen Übersicht Programmorganisationseinheiten Projektierungssystem STEP Systemüberblick Projekt Projektstruktur Programmstrukturen Bausteine in STEP Parametrierbarkeit von Code-Bausteinen 27 3 Datendarstellung in Steuerungsprogrammen Daten und Variablen im Überblick Datentypen 30

3 VIII Inhaltsverzeichnis Elementare Datentypen."! Zusammengesetzte Datentypen Parametertypen: Datentypen für Baustein-Schnittstellenvariablen Datentypen BLOCK_xx, TIMER, COUNTER zur Übergabe von Nummern Datentyp ANY (ANY-Zeiger) Datentyp POINTER (Bereichszeiger und DB-Zeiger) Variablen und Variablendeklaration Adressierung und Deklaration absoluter Variablen Symbolische Variablen mit Zuweisung eines Speicherortes Adressierung und Deklaration symbolischer Variablen Deklaration symbolischer Variablen mit zusammengesetzten Datentypen Deklaration von Variablen mit Datentyp ARRAY Deklaration von Variablen vom Datentyp STRUCT Datentyp STRING für Zeichenketten Übersicht zu Daten, Operanden und Variablen in STEP Zahlendarstellung Grundlagen des Dualzahlensystems Stellenwertigkeit der Dualzahlen Rechnen mit Dualzahlen Zweierkomplement Zahlenformate Ganzzahlen Gleitpunktzahlen nach IEEE BCD-Zahlen Hexadezimalzahlen Literale 54 4 Binärer Operationsvorrat der SPS Binäre Abfragen und Verknüpfungen Die Negation von Variablen Die UND-Verknüpfung Die ODER-Verknüpfung Die Exclusiv-ODER-Verknüpfung Die Negation einer Verknüpfung Verknüpfungsergebnis Zusammengesetzte logische Grundverknüpfungen UND-vor-ODER- Verknüpfung ODER-vor-UND-Verknüpfung Zusammengesetzte Verknüpfungen mit Exclusiv-ODER Zusammengesetzte Verknüpfungen mit mehreren Klammernebenen Speicherfunktionen Entstehung des Speicherverhaltens RS-Speicherbaustein Verriegelung von Speichern Gegenseitiges Verriegeln 84

4 Inhaltsverzeichnis IX Reihenfolgeverriegelung : Flankenauswertung.? Positive Flanke Negative Flanke Binäruntersetzer Zeitfunktionen, Programmieren von Zeitfunktionen Starten einer Zeitfunktion Vorgabe der Zeitdauer Rücksetzen einer Zeitfunktion Abfragen des Zeitoperanden Abfragen der Restzeitwerte Datentypen und Operanden Zeitfunktion Impuls SI Zeitfunktion Verlängerter Impuls SV, Zeitfunktion Einschaltverzögerung SE Zeitfunktion Speichernde Einschaltverzögerung SS Zeitfunktion Ausschaltverzögerung SA ' Erzeugung von Taktsignalen Taktmerker Weckalarm-Organisationsbausteine Taktgeber Zählerfunktionen Programmieren der Zählerfunktionen Vorwärtszählen Rückwärtszählen Zähler setzen Vorgabe des Zählwertes Rücksetzen der Zählerfunktion Abfragen des Zählwertes Abfragen des Zähleroperanden Zx Vorwärtszähler Rückwärtszähler : Vor-Rückwärtszähler Operationen zur Programm-Ausführungssteuerung Ausführungs-Funktionen in der Anweisungsliste AWL Sprungfunktionen Bedingte und unbedingte Sprünge Setzen, Rücksetzen, Negieren und Sichern des VKE Sprungleiste SPL Schleifensprung LOOP Bausteinfunktionen Bausteinaufrufe Bausteinende-Funktionen Ausführungs-Funktionen in der Funktionsbausteinsprache FBS Sprungfunktionen 161

5 X Inhaltsverzeichnis EN/ENO-Mechanismus Bausteinfunktionen Ausführungs-Funktionen in der Programmiersprache ST Auswahlanweisungen IF-Anweisung CASE-Anweisung Wiederholungsanweisungen FOR-Anweisung WHILE-Anweisung REPEAT-Anweisung Sprunganweisungen CONTINUE-Anweisung EXIT-Anweisung GOTO-Anweisung RETURN-Anweisung Bausteinaufrufe Aufruf von Funktionen Aufruf von Funktionsbausteinen Digitaler Operationsvorrat der SPS Übertragungsfunktionen Lade- und Transfer-Funktionen Lade- und Transfer-Funktionen in der Programmiersprache AWL Lade- und Transfer-Funktionen in der Programmiersprache FBS(FUP) Lade- und Transferfunktionen in der Programmiersprache ST (SCL) Akkumulatorfunktionen Vergleichsfunktionen ) Digitale Verknüpfungen Darstellung Maskieren von Binärstellen Ergänzen von Bitmustern Signalwechsel von Binärstellen erkennen Schiebefunktionen Schieben Wort oder Doppelwort Rotieren Schieben Integer Umwandlungsfunktionen Umwandlung von BCD-Zahlen Umwandlung von Integer- und Doppelinteger-Zahlen Umwandlung von Gleitpunktzahlen Umwandlung durch Komplementbildung Umwandlung BOOL, BYTE, WORD und DWORD Arithmetische Funktionen ' Rechnen mit Konstanten 240

6 Inhaltsverzeichnis XI Rechnen mit Integer-Werten Rechnen mit Doppelinteger-Werten Rechnen mit Gleitpunktzahlen Numerische Funktionen Allgemeine Funktionen Absolutbetrag Quadrat und Quadratwurzel Logarithmus- und Exponential-Funktionen Natürlicher Logarithmus einer Gleitpunktzahl Potenzieren zur Basis e Trigonometrische Funktionen Winkelfunktionen Arcusfunktionen Indirekte Adressierung Indirekte Adressierung in der Anweisungsliste AWL Bereichszeiger Speicherindirekte Adressierung Registerindirekte Adressierung Indirekte Adressierung in der Programmiersprache ST (SCL) Analogwertverarbeitung Analoge Steuersignale Analogwertdarstellung Auflösung Messarten und Messbereiche Analogeingabe : Analogausgabe Anschluss von Messwertgebern und Lasten Anschließen von Messgebern an Analogeingänge Anschluss von Lasten an Analogausgänge Einlesen und Normieren von Messwerten Ausgeben von normierten Analogwerten Beschreibungsmittel für den Entwurf von Steuerungsprogrammen Tabellen Funktionstabellen und ihre Auswertungsverfahren Aufstellen einer Funktionstabelle Disjunktive Normalform DNF Konjunktive Normalform KNF Vereinfachung von Schaltfünktionen mit algebraischen Verfahren Vereinfachung von Schaltfunktionen mit grafischem Verfahren: KVS-Diagramm Umsetzung in ein Steuerungsprogramm RS-Tabelle RS-Tabelle zu Beginn der Entwurfsphase RS-Tabelle am Ende der Entwurfsphase 357

7 XII Inhaltsverzeichnis Zuordner Einführung Zuordner-Realisierung mit Datenbaustein als Speicher für l_bit-ausgang Zuordner-Realisierung mit Datenbaustein als Speicher für n_bit-ausgang Zuordner-Realisierung mit MOVE-Box Zuordner mit Funktionsbaustein und ARRAY als strukturierter Speichervariablen Ablauf-Funktionsplan Konzeption und Normungsquellen Grafische Darstellung von Ablaufsteuerungsfunktionen Darstellung von Schritten Darstellung von Übergängen und Übergangsbedingungen Grundformen der Ablaufkette Aktionen, Aktionsblock Umsetzung des Ablauf-Funktionsplanes Ablaufsteuerungen ohne Betriebsarten Ablaufsteuerungen mit Betriebsartensignalen Rücksetzsignal (B0) Weiterschaltsignal mit Bedingungen (Bl) Weiterschaltsignal ohne Bedingungen (B2) Startsignal (B3) Aktionsfreigabesignal (B4) Erzeugung der Betriebsartensignale Ablaufsteuerungen mit Betriebsartenteil Einleitung Struktur der Ablaufsteuerungen Bedien-/Anzeigefeld Betriebsartenteil! Ablaufkette : Befehlsausgabe Meldungen Ablaufsteuerung mit Betriebsartenteil und Signalvorverarbeitung Aufgaben einer Signalvorverarbeitung Signalvorverarbeitungs-Baustein Freigrafischer Funktionsplan Nutzen der freigrafischen Funktionsplandarstellung (CFC) Symbole Wortleitungen Sprungdarstellung Sprünge in Verbindung mit Statusbit-Auswertung Wortsignal-Tor Wortsignalverbindungen Bausteinfunktionen Ablaufstrukturmethode Programmablaufplan Programmkonstrukt Verarbeitung 449

8 Inhaltsverzeichnis XIII Programmkonstrukt Folge Programmkonstrukte Auswahl Programmkonstrukt Wiederholung Kombination der Programmkonstrukte Struktogramm '~ Strukturblock Verarbeitung Strukturblock Folge Strukturblock Auswahl Strukturblock Wiederholung Kombination der Strukturblöcke Zusammenstellung der Sinnbilder für Struktogramm und Programmablaufplan Programmierung nach Vorlage von Programmablaufplan oder Struktogramm in der Programmiersprache Anweisungsliste AWL Verarbeitung...; Folge Auswahl Wiederholung Programmierung nach Vorlage von Struktogrammen in der Programmiersprache Strukturierter Text ST (SCL) Verarbeitung Folge Auswahl Wiederholung Zustandsgraph, HiGraph Zustandsgraph-Darstellung Zustände Transitionen Aktionen '. J Umsetzung von Zustandsgraphen in ein Steuerungsprogramm Zeigerprinzip bei Zustandsgraphen Zeigerprinzip bei der Datenspeicherung Zeigerprinzip bei Speicherfunktionen Graphengruppe Regeln mit Automatisierungsgeräten Allgemeine Grundlagen Regelungstechnische Grundbegriffe Funktionsschema einer Regelung Regelkreisdarstellung Regelstrecke Begriff der Regelstrecke Kennlinie und Zeitverhalten der Regelstrecke Beispiele für Regelstrecken Regler Realisierbare Reglerarten Bildung der Regelfunktion 540

9 XIV Inhaltsverzeichnis Arten von Stellsignalen Grundlagen digitaler Regler Abtastzeit Digitaler PID-Algorithmus, Regler-Programmbausteine Zweipunkt-Reglerbausteine Zweipunktregler ohne Schalthysterese Zweipunktregler mit Schalthysterese Dreipunkt-Reglerbausteine Dreipunktregler ohne Schalthysterese Dreipunktregler mit Schalthysterese PID Reglerbaustein Pl-Schrittreglerbaustein Bussysteme in der Automatisierungstechnik Entstehung des Kommunikationsbedarfs Bussysteme im Überblick Busankopplungen von SPSen und PCs Busankopplung der S7-SPS Busanschluss mittels Kommunikationsbaugruppen Busanschluss mittels CPU mit integierter PROFIBUS-DP- Schnittstelle Busankopplung von PCs Ankopplung von Feldbussystemen Ankopplung an Ethernet-TCP/IP-Netze Grundlagen der Kommunikation in Bussystemen AS-i-Bus! AS-i-System Netzwerk-Topolopgie Übertragungsverfahren AS-i-Leitung ' Zugriffssteuerung Aufbau einer AS-i-Nachricht Datenfelder und Listen beim Master Betriebsmodi des Masters Datensicherung Netzerweiterung Netzübergänge PROFIBUS PROFIBUS-Varianten DP, FMS, PA Netzwerktopologien Buszugriffs verfahren Übertragungstechnik Aufbau einer PROFIBUS-Nachricht Kommunikationsmodell PROFIBUS-DP Kommunikationsmodell PROFIBUS-FMS Ethernet-TCP/IP 630

10 Inhaltsverzeichnis XV Übersicht BASE-T nach IEEE Industrielle Installation Buszugriffsverfahren 'r Aufbau einer Ethernet-Nachricht: IP-Adressen Kommunikationsmodell Ethernet TCP/IP Kommunikationsmöglichkeiten bei Industrial Ethernet Anwender-Schnittstellen (Programmier-Schnittstellen) Bussysteme im ISO/OSI-Referenzmodell Offene und verteilte Systeme Schichten, Dienste und Protokolle ISO/OSI-Referenzmodell Internet-TCP/IP-Protokolle imosi-modell Feldbusprotokolle im OSI-Modell PROFIBUS AS-i-Bus Netzkomponenten im OSI-Referenzmodell Übersicht : Repeater/Hub Bridge/Switch Router Gateway Projektierung von Bussystemen AS-i-Bus,i Arbeitschritt (1): Konfigurierung des AS-i-Slave-Systems Arbeitschritt (2): Erstellen und Testen des Anwenderprogramms PROFIBUS-DP, Arbeitsschritt (1): Urlöschen und Anlegen eines neuen Projektes Arbeitsschritt (2): Hardware konfigurieren Arbeitsschritt (3): Software erstellen Arbeitsschritt (4): Inbetriebnahme und Test, Fehlerquellen PROFIBUS-FMS Arbeitsschritt (1): S7-SPS als FMS-Client Arbeitsschritt (2): S7-SPS als FMS-Server Industrial Ethernet mit SEND-RECEIVE-Kommunikation Arbeitsschritt (1): Hardware-Projektierung Arbeitsschritt (2): Verbindungsprojektierung zur fernen Station Arbeitsschritt (3): Anwenderprogramm-Schnittstelle und Diagnose OPC-Kommunikation für PC-basierte Automatisierung Einführung in die Beispiele PC-Konfiguration und OPC-Server Arbeitsschritt (1): PC-Systemanschluss einrichten Arbeitsschritt (2): Einstellen der IP-Adresse des PCs 704

11 XVI Inhaltsverzeichnis Arbeitsschritt (3):Unterlagerte Kommunikationsverbindung projektieren Arbeitsschritt (4): Zugriffsweg der Applikation einstellen Arbeitsschritt (5): OPC-Server konfigurieren Arbeitsschritt (6): Testen der OPC-Kommunikation OPC-Client Arbeitsschritt (1): Befehlsschaltfläche zur Umschaltung auf dieuserform Arbeitsschritt (2): ActiveX-Controls in Werkzeugsammlung einfügen Arbeitsschritt (3): S7Data Control in UserForm einfügen und konfigurieren Arbeitsschritt (4): S7Number Control" als Anzeige-ZEingabefeld einfügen Arbeitsschritt (5): OPC-Item auswählen Arbeitsschritt (6): Zugang zum OPC-Server festlegen Arbeitsschritt (7): Befehle zum Starten und Beenden des OPC-Servers Arbeitsschritt (8): Inbetriebnahme des Excel-OPC-Clients von der UserForm Arbeitsschritt (9): Inbetriebnahme des Excel-OPC-Clients von der Arbeitsfläche Sicherheit von Steuerungen Aufbau des sicherheitstechnischen Regelwerkes Europäische Richtlinien Europäisches Normenwerk zur Sicherheit von Maschinen Rechtliche Bedeutung der europäischen Richtlinien und Normen Rechtliche Bedeutung von VDE-Bestimmungen Bedeutung von Symbolen CE-Kennzeichen (Konformitätszeichen) VDE-Prüfzeichen (Gütezeichen) Arbeitssicherheit/Unfallverhütung Grundsätze der Maschinensicherheit Maschinenbegriff Sicherheitsbegriff Wege zur sicheren Steuerung Risiko-Beurteilung Elektrische Ausrüstung von Maschinen nach DIN EN Netzanschlüsse und Einrichtungen zum Trennen und Ausschalten Einspeisung Netz-Trenneinrichtung Schutz der Ausrüstung Überstromschutz Überlastschutz von Motoren Spannungsunterbrechung und Spannungswiederkehr 734

12 Inhaltsverzeichnis XVII Anhang Steuerstromkreise und Steuerfunktionen Versorgung von Steuerstromkreisen Steuerspannung Anschluss von Steuergeräten Überstromschutz Maßnahmen zur Risikoverminderung im Fehlerfall Schutzverriegelungen Startfunktionen : Stoppfunktionen Betriebsarten lOHandlungen im Notfall Elektronische Ausrüstung Anwendung bei sicherheitsbezogenen Funktionen Software-Überprüfung Steuergeräte Wegfühler Farbkodierungen und ihre Bedeutung Blinksignale Sicherheitstechnologien Bewährte Prinzipien der elektromechanischen Sicherheitstechnik Zwangsöffnende Schaltkontakte Zwangsgeführte Kontakte Freigabekontakte Rückführkreis Ruhestromprinzip, Drahtbrucherkennung Verriegelung gegensinnig wirkender Signale Zweikanaligkeit Redundanz und Diversität Relais- und Schütz-Sicherheitstechnik Sicherheitsschaltgeräte für NOT-AUS- und Schutztür-Überwachung Auswertegeräte für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen Programmierbare Sicherheitssteuerungen Sichere Bussysteme AS-Interface Safety at Work PROFIBUS-DP mit PROFISafe Echter Sicherheitsbus 753 I Zusammenstellung Bibliotheks-Bausteine 754 II Operationslisten der Steuerungsspraehe STEP Weiterführende Literatur 787 Sachwortverzeichnis 788 Download 797